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1、. .专题一 生命科学导论1.1 生命科学的概念和研究内容 1.1.1 生命和生命科学 生命（life）的科学定义是什么？这是生命科学最基本的问题，也是长期以来备受争论和探讨的问题。 我们所居住的地球是生命的世界，充满着复杂而又丰富多彩的生命现象。目前地球上已定名的生物种类约有200万种，实际上可能高达500万种。地球上的生物种类繁多、形态各异、分布广泛、行为和习性千变万化。根据魏特克（R. H. Whittaker, 1969）的“五界分类系统”，这些生物可分为动物界、植物界、原核生物界、真菌界和原生生物界。 如此复杂的生命现象使得很难给生命一个科学、完整的定义。从物理学角度出发，生命可定义
2、为“负熵”。根据热力学第二定律，任何自发过程总是朝着使体系熵增加的方向变化。而生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。现代生物学给生命下的定义为生物体所表现出来的自身繁殖、生长发育、新陈代谢、遗传变异以及对刺激产生反应等的复合现象。这个定义把生命描述为生物的生命特性。分子生物学给生命下的定义为由核酸和蛋白质等物质组成的分子体系，它具有不断繁殖后代以及对外界产生反应的能力。这个定义把生命描述为分子体系和生命特性，是目前认为比较合理的定义。 生命现象虽然十分错综复杂，但在其中却并没有什么超越自然的因素。它是客观世界的现象，因而可以认识，可以用科学方
3、法进行探索并揭示其规律。生命科学就是用来研究生命现象和规律的科学，它是自然科学的一个重要分支，研究包括从简单的生命（病毒）到最复杂的生物（人类）的各种动物、植物和微生物等生命物质的结构和功能、它们各自的发生和发展规律、生物之间以及生物与环境之间的相互关系。 生命科学的目的是阐明生命的本质，探讨其发生和发展的规律，以有效地控制生命活动和能动的加以利用，使之更好地为人类服务。 1.1.2 生命的基本特征 地球上的生物种类繁多，物种间差异虽然很大，但有共性，即它们都有生命现象，服从于生命运动规律。在整个生命活动过程中，贯穿了物质、能量和信息三者的变化、协调和统一，形成了有组织、有秩序的活动。生命活动
4、所具有的共同属性的外在表现称为生命特征，生命特征使得不同的生物体在生命本质上得到统一。 （1）分子体系的同一性 从元素组成来讲，不同生物分子体系中的元素组XX是一样的，其中C、H、O、N、P、S、Na、K等占了绝大部分。 从分子组成来讲，生物体的一个重要特征在于它们都含有生物大分子，如核酸、蛋白质、脂类、复合糖等，这些有机分子在各种生物中有着相同或相似的结构模式和功能。例如，一切生物的遗传物质都是核酸，DNA和RNA都是由四种核苷酸组成，各种生物的遗传密码是统一的，蛋白质都是由20种氨基酸组成，各种生物都利用高能化合物（ATP）等。 从代谢途径来讲，所有生物（病毒除外，但其利用宿主的生命体系完
5、成其生命过程）的物质代谢（如糖代谢、脂类代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢等）途径及其调节机制都是相同或相似的。上述现象充分说明了各种生物之间分子体系的同一性。 （2）结构层次的有序性 生物体在形态和分子层次上的结构具有高度的有序性。生命的基本单位是细胞（病毒除外，但其需要在活的细胞内才能完成生命活动），细胞内的各结构单元都有特定的结构和功能，细胞内的遗传信息都遵循DNARNA蛋白质的中心法则，细胞内生物信号转导的级联反应也是高度有序的。生物界是一个多层次的有序结构，在细胞层次之上还有组织、器官、系统、个体、种群、群落、生态系统等层次。每一个层次中各结构单元，如器官系统中各器官、各器官中的各种组织，
6、都有它们各自特定的功能和结构，它们的协调活动构成了复杂的生命系统。 （3）新陈代谢 生物体在生命活动过程中与外界环境进行物质、能量、和信息的交换，使生命得以自我更新。新陈代谢包括同化作用和分解作用。生物体从外界摄取物质和能量，将它们转化成生命本身的物质和储存在化学键中的化学能的过程称为同化作用；生物体分解生命物质，将能量释放出来，供生命活动之用的过程称为分解作用。新陈代谢是严整有序的过程，是一系列酶促化学反应所组成的反应网络。新陈代谢是生命最基本的特征，是生命存在和生命活动赖以进行的基础。 （4）生长发育 生物的生长与发育是建立在新陈代谢的基础上的。生物体表现出体积和重量增加的过程称为生长，如
7、一粒种子可以长成大树、千吨巨鲸来自一个受精卵。在生长过程中，生物的细胞和组织不断分化，由营养生长转入生殖生长，最终进入衰老和死亡，这个过程称为发育。生长和发育是始终伴随在一起的。一个生物体的整个发育过程称为个体发育，而一个物种的发生和演化的历史称为系统发育。虽然环境条件可以影响生物的生长和发育，但每种生物的生长和发育都是按照一定的尺寸X围、一定的模式和稳定的程序进行的。 （5）生殖、遗传与进化 任何一个生物个体都不能长期存在，它们通过无性或有性生殖产生子代使生命得以延续，这一过程称为生殖。生殖是生命延续的必要手段，也是生命最重要的特征之一。子代与亲代在形态构造、生理机能上的相似现象称为遗传，而
8、子代与亲代之间以及亲代各个体之间不会完全相同，总会有所差异，这种现象称为变异。遗传是由生物的基因组信息决定的，通过遗传物种得以延续；伴随遗传信息的突变和重组，使得后代产生变异，通过变异新物种得以产生。遗传和变异是生命进化的基础，正是两者的相互作用，形成了今天地球上庞大的生物体系。 （6）稳态、应激性和适应性 所有的生物体、细胞、群落以至生态系统，在没有激烈的外界因素的影响下，都能通过自己特定的机制来保证体内稳态。生物的稳态是相对的，当环境发生变化时，生物体能够随环境变化的刺激而发生相应的反应，以维持生物体内环境的相对稳定，这种能力称为应激性 。应激性包括感受刺激和反应两个过程，其结果是使生物趋
9、利避害。生物体通过在形态、结构、生理和行为上的主动变化，提高自己在逆境中的生存能力称为适应性。适应性使该生物得以生存和延续，如果生物不能适应新的生活环境，自然选择就会发生作用，推动群体向更适应环境的方向进化。1.1.3 生命科学的研究内容生命科学所研究的X围及其广泛而复杂，涉及各类生物的形态、结构、生命活动及其规律。按生物类群或研究对象，生命科学可分为植物学、动物学、微生物学、病毒学、人类学、古生物学、藻类学、昆虫学、鱼类学、鸟类学等；按研究的生命现象或生命过程，可分为形态学、解剖学、组织学、胚胎学、细胞学、生理学、病理学、分类学、遗传学、生态学、进化学、免疫学等；按生物结构的层次，可分为种群
10、生物学、细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、量子生物学等。 生命科学与其他学科有着密切的关系，生命科学按其与其他学科的关系，分别形成了生物物理学、生物化学、生物数学、生物气候学、生物地理学、仿生学、放射生物学等交叉学科。 现代生命科学的核心学科包括生物化学、分子生物学、分子遗传学、组学、生物信息学、宏观生物学和系统生物学等。 现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构与功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成果对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，这就是生物工程或生物技术。现代生物工程包括基因工程、发酵工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、抗体工
11、程、组织工程等，其中基因工程为其核心内容。1.2 生命科学发展简史应该说自从有了人类的文明史，就有了人们对生命现象的描述和记录（如原始的岩画），就开始了人们对奇妙的生命现象的观察和思考。 今天的生命科学是经过漫长的历史发展过程而逐步形成的。作为一门重要的自然科学学科，生命科学的发展大致经历了三个主要的阶段：从人类诞生到16世纪左右，这是生命科学的准备和奠基时期；从16世纪到20世纪中叶是生命科学创立和发展的时期，这一阶段以自然科学各领域分支学科迅速建立为主要特点，与其他学科共同归纳为历史上的“小科学” 的发展时期；20世纪中叶以后，生命科学随着各学科纵横交错发展的大趋势，出现了不同分支学科和跨
12、学科间的大交汇、大渗透、大综合的局面，由此人们获得了进入“大科学” 发展历史阶段的认识，即进入现代生命科学时期。 1.2.1 生命科学的准备和奠基时期在远古年代，人们对生命现象的认识常常是和与疾病斗争、农业牧业禽畜生产以及XX迷信活动（如古代木乃伊的制作）等联系在一起的，由此人们积累了动物、植物和人类自身的解剖、生长、发育和繁殖等方面的知识。到古希腊时期，人类已开始了对生命现象进行深入专题性的研究。亚里士多德在动物志一书中详细地记载了他对动物解剖结构、生理习性、胚胎发育和生物类群的观察，并对生命现象作出了许多深刻的思考。亚里士多德的观点和方法集中地反映了那个时代的特点，观察和哲学参半、描述和思
13、辩混和。在这一时期，为以后生命科学的建立作出重要贡献的还有：德奥弗拉斯特对植物乔木、灌木、草本分类的确定，著有植物志和植物因由；希罗费罗斯、盖仑对人体解剖的研究，等等。同样，在中国古代就有神农尝百草的传说。古代贾思勰的齐民要术、明代李时珍的本草纲目，以及历代花、竹、茶栽培和桑蚕技术书籍等，记录了大量对动物、植物的观察和分类研究结果。从总体来看，对与人类生产、生活密切相关的植物、动物进行形态及其本性的描述和记载是这一时期最突出的特征，因此，真正的科学体系尚未形成。 1.2.2 生命科学的创立和发展时期 目前，普遍认为现代生命科学系统的建立始于16世纪。它的基本特征是人们对生命现象的研究牢固地植根
14、于观察和实验的基础之上，以生命为对象的生物分支学科相继建立，逐渐形成一个庞大的生命科学体系。现代生命科学可以说是从形态学创立开始的。1453年，比利时医生维萨里（Andreas Vesalius，15141564）的名著人体的结构发表不仅标志着解剖学的建立，还直接推动了以血液循环研究为先导的生理分支学科的形成，其标志是1628年英国医生哈维（William Harvey，15781657）发表了他的名著心血循环论。解剖学和生理学的建立为人们对生命现象的全面研究奠定了基础。17世纪19世纪中期，随着欧洲工业革命的蓬勃发展，生物学取得了飞速的发展，其重要特征就是从宏观世界进入微观世界。1665年，
15、胡克（Robert Hooke，16361702）在他的显微图谱中第一次使用“细胞”一词。从此，对细胞的研究成为当时研究的热点。现在一般认为细胞学创立于19世纪30年代，是由施莱登（Matthias Jacob Schleiden， 18041881）、施旺（Theodor Schwann，18101882）以及稍后的数位生物学家共同完成的。他们奠定了细胞是独立的生命单位、新细胞只能通过老细胞分裂繁殖产生，一切生物都是由细胞组成和发育而来的细胞学说的基本理论。林耐（Carl von Linne，17071778）将千姿百态的生物物种科学地归纳在界、门、纲、目、科、属、种的秩序里，这使他成为有史
16、以来最伟大的生物分类学家。林耐生物分类系统建立的更重要的意义还在于它直接地诱发了生物进化理论。林耐当初建立生物分类体系是为了精确地显现出上帝造物的构思和成就，但事与愿违，他的生物分类系统中体现出的各生物物种的相关性和物种由简单到复杂的“秩序”排列强烈的暗示了生物的进化现象。在马耶（Benoit Mailler，16561738）、布丰（te Lamarck，17441829）和拉马克（Chavalier Lamarck，17441829）等人工作的基础上，1859年，达尔文（Charless Darwin，18091882）的物种起源发表。 19世纪前后，生命科学的重大成就还包括其他一些重要的
17、发现和分支学科的建立。解剖学和细胞学使得人们对生物发育现象的研究取得了巨大进步，并由此建立了实验胚胎学。胚胎学实现了对各种代表生物形态发育过程的组织学和细胞学的研究，绘制出了有史以来最精美的生物学图谱。魏斯曼（August Weismann，18391914）关于生物发育的“种质”学说推动了遗传学的建立。1856年，现代遗传学创始人孟德尔（Gregor Mendel，18221884）在“布隆自然历史学会”上宣读了自己对比豌豆杂交的实验结果，遗憾的是其工作的价值被埋没了30多年。直到20世纪初，当孟德尔发现的生物遗传规律被几个人几乎同时再次证实时，才引起了人们的注意。为遗传学作出重大贡献的另一
18、位伟大的遗传学家是摩尔根（Thomas Hunt Morgen，18661945）。20世纪1020年代他用果蝇为实验材料确立了以孟德尔和摩尔根的名字共同命名的经典遗传学的分离、连锁和交换三大定律，并因此而荣获了1933年的诺贝尔奖。遗传学科学地解释了生物的遗传现象，将细胞学发现的染色体结构和进化论解释的生物进化现象联系起来，并指出了遗传物质定位在染色体上，这推动了DNA双螺旋结构和中心法则的发现，为分子生物学的建立奠定了基础。在19世纪中期，法国科学家巴斯德（Louis Paster，18221895）创立了微生物学。微生物学直接引导了医学疫苗的发明和免疫学的建立，推动了生物化学的进展，并为
19、分子生物学的出现准备了条件。生物化学的辉煌发展出现在20世纪的前叶到中叶，围绕能量和生物大分子物质代谢的研究，发现了生物以三磷酸循环为枢纽的有着复杂超循环结构的代谢途径，和以电子传递和氧化磷酸化为中心的生物能量获取、利用的基本方式。 在这一时期，生命科学学家从以观察和描述性的手段研究生物体和生命现象过渡到通过一系列的实验设计和操作进行研究，迈开了窥视生命奥秘的步伐。 1.2.3 现代生命科学时期20世纪生命科学取得了巨大进展，基本实现了从对生命现象的外观描述到认知生命现象本质的转变，这是人类认知自然、认知自我的巨大飞跃。生命科学的巨变，源于数理科学向生物学广泛而深入地渗入。1953年Watso
20、n和Crick运用X射线衍射技术，探明了生命遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）分子的空间结构为双螺旋结构，标志着现代生命科学时期的到来。 分子生物学的建立是生命科学进入20世纪最伟大的成就。遗传学的研究预示了生物遗传载体的存在，而DNA双螺旋结构的发现直接揭示了生物的中心法则（DNARNA蛋白质）。人们因此探索到生命运作的基础框架和生物世代更替的联系方式。从此，以基因组成、基因表达和遗传控制为核心的分子生物学的思想和研究方法迅速地深入到生命科学的各领域，极大地推动了生命科学的发展。 1973年重组DNA技术（基因工程）创立，是人类进入了按照自己的意愿改造和创新物种的新时代。而人类基因组计划（Hum
21、an Genome Project，HGP）的实施（1990-2000年）和后基因组学的兴起，则是把“大科学”的模式引入生命科学研究，综合运用多学科理论、技术与方法，揭示“遗传信息”与生命的奥秘。在刚刚过去的20世纪，生命科学取得了惊人的进展，不仅引起了学术界的极大关注，而且其影响也逐渐渗透到人类生活的各个领域。因此，生命科学无疑将取代物理科学成为21世纪带动其他学科发展的主导学科。新世纪将是人类揭开生命之谜的的科学世纪，并将在彻底解决与人类自身利益密切相关的粮食、人口、健康、资源和环境等方面发挥关键的作用，前景辉煌。1.3 现代生命科学发展的特点 20世纪初，丹麦遗传学家约翰逊（W. Joh
22、ansen）提出了“基因”这一名词用来解释孟德尔的遗传因子。进100年来，从基因概念的提出到20世纪末人类基因组草图绘制完毕，生命科学发生了巨大的变化。21世纪，生命科学主要朝着微观和宏观两个层次发展：在微观层次上，生命科学已经从细胞水平进入到分子水平去探索生命的本质；在宏观层次上，生态学的发展正在为解决全球性的资源和环境等问题发挥着重要作用。 1.3.1 分子生物学的兴起全面改变了传统生物学的面貌分子生物学是由多学科相互渗透、综合融汇而产生发展起来的，现已形成独特的理论体系和研究手段，成为一个独立的学科。从分子水平来讲，所有生物体的内在物质是高度一致的，生命的基本原理具有同一性，遗传密码具有
23、通用性。因此，只有从分子水平才能真正探讨生命现象的本质和核心。 当前凡是研究生命现象的学科，不可避免的都要深入到分子水平去进行本质规律的探讨。这使得分子生物学的概念、方法与技术很快渗入到生命科学各个领域，形成诸如分子遗传学、细胞分子生物学、分子生态学等诸多学科。分子生物学的建立大大促进了医学的进步，其理论与技术已在医学领域广泛应用。此外，分子生物学对农业、畜牧业、生物技术等领域的影响也是巨大的。 1.3.2 自然科学学科间的交叉渗透促进了生命科学的发展 在自然科学整体发展过程中，通常表现为各门类学科、各分支学科不断交叉、同时又加速地综合，使自然科学在某一领域内朝不断深入和多个领域综合交叉的整体
24、化方向发展。20世纪生命科学的发展就呈现学科交叉渗透这一特征，它也是推动生命科学飞跃发展和取得重大突破的动力。在过去的半个世纪里，由于其他自然学科的理论或技术广泛渗透并与生命科学形成交叉学科，因此，促进了生命科学的飞速发展，使得人类得以从微观世界、细胞水平，特别是分子水平来研究极为复杂的生命现象。多学科交叉推动了生命科学的学科发展，而生命科学的发展也向数学、物理学、化学以及工程技术科学提出许多新问题、新概念和新的研究领域，以此带动了其他自然科学的发展。 1.3.3 生命科学的研究模式发生了重要变化 20世纪后半叶人类社会发展所面临的诸如环境污染、传染性疾病蔓延、生物多样性的保护等全球性问题的解
25、决和生命科学进一步的纵深研究，皆以超出了国家和区域的X围，这些全球性问题的解决和生命科学研究的综合性和复杂性需要科学研究的通力合作。科学研究的合作不仅可以带来资金分担、信息和设备的共享，而且有利于形成和发展规模化的研究网络。生命科学合作化和国际化的研究模式，将把越来越多的研究机构和国家组合在世界科学技术体系之中，构筑合力研究平台，互惠互利，同时也表明生命科学的发展已经进入了理性的阶段。 1.4 现代生命科学研究的热点与发展趋势 现代生命科学发展迅猛，已从根本上改变了它在自然科学中的地位和作用，正代表着自然科学的前沿，成为发展最快、应用最广、潜力最大、竞争最激烈的科学领域之一。近年来，在生命科学
26、研究、生物技术创新重大突破的带动和市场需求的拉动下，世界X围内一场具有划时代意义的生物科技革命正在孕育和形成。加速重大生命科学问题的研究、推动科技成果向产业转化、抢占生物经济时代制高点、保障国家生物安全已成为世界各国特别是发达国家经济社会发展战略的重点。 现代生命科学在基础研究中最活跃的前沿学科包括：分子生物学、生物化学、细胞生物学、发育生物学、神经科学、免疫学、生态学、生物信息学等，其中分子生物学、生物化学和细胞生物学等将继续为解析生命活动的本质做出不可替代的贡献。同时，随着新技术和新学科的兴起，生命科学研究变得更为量化和系统，形成了以功能基因组学和蛋白质组学研究为方向，以多学科交叉为基础，
27、分析与综合并重，微观与宏观相结合的研究体系。探讨生命的本质和起源，即遗传、发育和进化的分子机理，以及阐明智能活动，将是生命科学基础研究的大趋势。 1.4.1 现代生命科学研究的热点领域 （1）糖生物学 糖生物学(glycobiology) 是研究聚糖及其衍生物的结构、化学、生物合成及生物功能的科学。糖生物学这一名词是在1988年提出的，牛津大学德威克教授在当年的生化年评中撰写了以“糖生物学”为题的综述，这标志着糖生物学这一新的分支学科的诞生。 将糖生物学推向生命科学前沿的重大事件发生于1990年。当时有3个实验室几乎同时发现血管内皮细胞-白血球粘附分子1(ELAM-1)，后来改名为E-选凝素(
28、E-selectin)。这一位于内皮细胞表面的分子能识别白血球表面的四糖Sia-LeX。当组织受到损伤时，白血球和内皮细胞穿过血管壁，进入受损组织，以便杀灭入侵的异物。然而，过多白血球的进入则可能导致炎症的产生。这一发现首次阐明炎症过程有糖类和相关的糖结合蛋白参与。更令人吃惊的是，进入血液循环系统的癌细胞可能借助了类似于上述的机制穿过血管，进而导致癌症的转移。紧接着又出现以这一基础研究的成果为依据的开发和生产抗炎和抗肿瘤药物的热潮。 糖生物学之所以落后于基因和蛋白质的研究，在于以前研究人员缺乏研究糖类分子的有效工具，以及糖分子本身的复杂性。美国麻省理工学院糖原生物学家萨西赛克哈兰说：“目前我们
29、尚未破译其密码，我们仅处于揭示糖奥秘的初始阶段”。21世纪生命科学的研究焦点是对多细胞生物的高层次生命现象的解释，因此，对生物体内细胞识别和调控过程的信息分子糖类的研究是必不可缺的。 （2）蛋白质组学 蛋白质组学（proteomics）一词，源于蛋白质（protein）与基因组学（genomics）两个词的组合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质，这个概念最早是由Marc Wilkins 在1995年提出的。蛋白质组学本质上是指在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病
30、发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。 蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病例个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者为疾病的早期诊断提供分子标志。世界X围内销路最好的药物本身即为蛋白质或其作用靶点为某种蛋白质分子。因此，蛋白质组学研究不仅是探索生命奥秘的必要工作，也能为人类健康事业带来巨大的利益。蛋白质组学的研究是生命科学进入后基因时代的特征。 （3）基因组学 基因组学（genomics）是研究生物基因组和如何利用基因的一门学问，用于概括涉
31、及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等一同构成生命组学（lifeomics）。 基因组学研究包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics)。基因组学的特点是强调进行细胞中全部基因及非编码区的整体性考察和系统性的研究，从而全面揭示基因与基因间的相互关系、基因与非编码序列的关系、基因与基因组的相互关系。 进入21世纪后，基因组学仍然是全球科研的热点之一，玉米、蜜蜂、狗、牛、鸡、猩猩等动植物的基因组序列，已经成为科学家下一
32、步破译的目标。 （4）生物芯片技术 生物芯片技术是指通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片、糖芯片及芯片实验室。它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。据估计，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学的研究将涉及的世界药物市场每年约1800亿美元，开发前景十分诱人。 （5）RNA干扰技术 小分子
33、RNA存在的广泛性和多样性，提示小分子RNA可能有非常广泛的生物学功能，在高级真核生物体内对基因表达的调控作用可能和转录因子一样重要，可能代表新的层次上基因表达的调控方式。“RNA干扰” （RNAi）是双链RNA介导的特异性基因表达沉默现象，自从20世纪末被发现之后，其基础研究和应用迅速成为21世纪生命科学中的热点领域之一。目前对具有调节功能的非编码RNA分子基因的结构特征、调控方式以及生物学功能还知之甚少，对它们参与生物学过程的方式和分子机理的认识也刚开始。因此在后基因组时代，利用实验生物学和生物信息学相结合的方法，系统地对各种模型和模式生物中的具有调节功能的非编码RNA分子基因进行鉴定和功
34、能的研究，将对阐明生命调控的机理具有重要的意义。 （6）分子生态学 分子生态学（molecular ecology）是近年来兴起的一门前沿学科，是分子生物学与生态学这两个20世纪带头学科交叉融合的产物。它的历史可以追溯到1950年，当时E.B Ford创建了第一所用基因手段来研究生态学的学校，他首次试图从进化的角度来阐述生态适应多样性问题。在二十世纪六十年代中期，等位酶电泳技术的引进使分解酶在大多数种群的基因分析中大展身手，也使得随后的蛋白多样性数据对比逐渐能解释分子适应、进化的一些根本性问题。此后限制性内切酶技术、Southen印迹杂交、克隆和测序技术、PCR以及高复制性的DNA等技术的相继
35、发展大大提升了分子遗传测序的X围和灵敏度，提高了分子多态性和异质性的分析水平，促进了分子机理和分子外在的表现之间的相互联系。更多的思考来自不同分子标志系统的分子进化特征及它们之间的关系，分子数量性状的分析。 分子生态学这个概念自1992年在“分子生态学”杂志上提出以来已得到非常广泛的应用。群体遗传学、生态遗传学和进化遗传学这三个学科的发展为分子生态学的建立奠定了基础。它将对生态学、分子生物学以及生态适应与进化的研究产生重大影响。 （7）干细胞与组织工程 随着生物材料、生物反应器设计及对机体发育和创伤修复机制的深入理解，在体外构建用于修复代替人体丧失功能的组织器官这一理想，已发展成一门独立且蓬勃
36、发展的学科组织工程学（tissue engineering）。组织工程学是一个多学科交叉的新兴领域，至少涉及生命科学、医学及工程学等三个学科。种子细胞、支架材料和诱导信号是组织工程学的三个基本要素。目前种子细胞是制约组织工程发展的一个主要瓶颈。干细胞生物学的发展使人们看到了打破这个瓶颈的可能。干细胞体外扩增及定向分化的技术发展，及对其增殖和诱导分化机制的深入理解，使工程化组织可以获得理想的基本功能单位，使其应用与临床成为可能。因此，干细胞基础理论的重大突破必然会推动组织工程发展产生质的飞跃。 （8） 生物信息学 生物信息学(bioinformatics) 是二十世纪80年代末随着基因组测序数据
37、迅猛增加而逐渐形成的一门交叉学科。随着生物学和医学的迅速发展，特别是人类基因组计划的顺利推进，产生了海量的生物学数据，特别是生物分子数据的积累速度在不断地快速增加。这些数据具有丰富的内涵，其中隐藏着丰富的生物学知识。充分利用这些数据，通过数据分析、处理，揭示这些数据的内涵，得到对人类有用的信息，这将是生物学家和数学家所面临的一个严峻的挑战。在这样的背景下，生物信息学应运而生。 根据美国NIH和DOE在1990年给出的生物信息学的定义，它是生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科。它通过对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目
38、的。生物信息学以核酸、蛋白质等生物大分子数据为主要对象，以数学、信息学、计算机科学为主要手段，以计算机硬件、软件和计算机网络为主要工具，对浩如烟海的原始数据进行存储、管理、注释、加工、解读，使之成为具有明确生物意义的生物信息。通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获取基因编码、基因调控、核酸和蛋白质结构功能及其相互关系等知识。在大量信息和知识的基础上，探索生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发育、衰亡等生命科学中的重大问题，阐明它们的基本规律和内在联系，建立“生物学周期表“。其研究目标是揭示基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律，解释生命的遗传语言。它对21世纪生命科学具有
39、不可估量的奠基和推动作用。 （9）抗体工程 抗体工程（antibody engineering）是指利用重组DNA和蛋白质工程技术，对抗体基因进行加工改造和重新装配，经转染适当的受体细胞后，表达抗体分子，或用细胞融合、化学修饰等方法改造抗体分子的工程。这些经抗体工程手段改造的抗体分子是按人类设计所重新组装的新型抗体分子，可保留（或增加）天然抗体的特异性和主要生物学活性，去除（或减少或替代）无关结构，因此比天然抗体具有更潜在的应用前景。 1.4.2 现代生命科学的发展趋势现代生命科学的发展及其迅速，对社会经济的发展也将带来更加重大的影响。21世纪生物科学的进步与发展，将会在现代分子生物学、“组学
40、”和系统生物学研究的基础上，涌现出越来越多先进的技术和产品，并有可能在重大疾病的预防和治疗上取得突破，为人类最终了解生命、控制生命和操纵生命奠定坚实的基础。 （1）向生命本质深入 人类功能基因组学将顺利完成，大量基因工程药物和新的基因治疗方法不断出现，重大疾病的防治有望得到根本解决。届时，人类生命的延长并非难事，发育生物学将异军突起，新的无性克隆繁殖技术不断发展，“工厂化”生儿育女将成为现实。认知科学和脑功能研究将取得重大突破，在学习、思维、记忆、情感、行为以及智力的本质等方面将取得革命性的进展。生命起源和人类进化将得到回答，将在试管中合成生命、重建细胞甚至个体。 （2）向宏观方向发展 生态学
41、将受到科学家、政府和大众的共同关注，生物多样性将得到有效的保护，人口、资源、环境将得到进一步的协调发展。生命科学尤其是生物技术的应用将使得传统工业收益提高，如利用生物技术可以提高原油采收率，极大地缓解目前能源进展的局面。此外，生物技术将在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废弃物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的的各个方面发挥着极为重要的作用。（3）向学科交叉融合 生命现象是极其复杂多样的。随着研究对象的进一步具体化以及研究内容的深入，生命科学将产生越来越多的分支学科，造成现代生物学的高度分化。另一方面，生命现象的复杂性又
42、决定了各分支学科之间、以及生物学与物理学、化学、数学等学科之间的相互渗透而走向融合，这又构成了现代生命科学的高度融合。现代生命科学高度分化与高度融合的趋势，共同表现为大量的分支学科、交叉学科与边缘学科的形成，并将有力地推动生命科学的一次次飞跃和革命。 （4）解决人类的切身利益 生命科学之所以成为当今自然科学研究的热点和重点，从人类社会可持续发展角度看主要有两方面的原因：一是当今人类社会面临人口膨胀、粮食短缺、疾病危害、环境污染、能源危机、资源匮乏、生态平衡被破坏等攸关生存的重大问题。解决人类生存与发展所面临的这一系列重大问题，在很大程度上将依赖于生命科学的发展，人们寄希望于生命科学的方法解决人
43、类目前面临的粮食问题、能源问题、人口问题、环境问题和健康问题。二是生命科学的发展和生物技术的应用可为人类社会带来巨大的利益和财富。 生命技术在粮食生产中的应用主要包括培育高产、抗逆、抗病虫害、抗除草剂和品质好、营养价值高的作物品种，利用细胞工程技术对作物优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工业化生产等。利用转基因技术，将于动物优良品质有关的基因转移到动物体内，可使动物获得新的品质。这些手段会使人类的粮食产量提高，从而减少饥饿人口的数量。 生物技术在医药和保健产品中的应用主要包括基因工程药物、疫苗、诊断试剂、部分抗生素、药用氨基酸、维生素、血液制品、生化药物和部分功能食品的开发和应用，这些对于人
44、类预防和治疗疾病、提高人体的免疫力、增强体魄具有一定促进作用。生命科学在医药和保健方面的作用将使人类的平均寿命大大提高。 总之，现代生命科学发展的大趋势是对生命现象的研究不断深入与扩大，向微观和宏观、最基本和最复杂的两极发展，未来生命科学将进入一个大综合与大发展的时期。 主要参考文献： 焦炳华. 2009. 现代生命科学概论. ：科学 陈铭德. 2009. 现代生命科学导论. ：华东师X大学专题二 糖生物学糖生物学，简单地说就是研究多糖及其衍生物的结构、生物合成及生物学功能的科学。多糖是生物高分子家族中一个最丰富多彩的成员，广泛存在于各种植物、动物、微生物组织中，具有免疫调节、抗肿瘤、降血糖等
45、多种生物活性。其最大优点是毒副作用小，来源广泛，资源丰富。尤其是来源于中草药的植物多糖，受到许多国家的重视。20世纪末，糖生物学开始蓬勃发展而引起世人注意，它是糖化学和生物学研究相结合的新兴学科，主要研究糖类化合物的结构、生物合成和生物学功能。本专题旨在介绍糖生物学的历史，糖生物学研究的内容，糖缀合物中糖链的结构及其生物学功能，天然多糖的组成及结构，天然多糖的生物学功能，以及糖生物学研究的发展等。 2.1 糖生物学的历史 “糖生物学”起初由糖化学开始，而后是糖生物化学。20世纪初期，糖类化合物的化学、生物化学和生物学曾引起科学界很多人的关注。当糖生物化学研究积累了大量的资料，发现糖类化合物的研
46、究与生物学的诸多领域出现了交叉，这就孕育了糖生物学的出现。1988年，一篇以“糖生物学”为题目的综述刊登在当年的“生物化学年评”，由此宣告了糖生物学这一分支学科的正式诞生。然而，当时由于糖类化合物自身结构的复杂性，使之难于测序，致使糖类化合物的研究远远滞后于蛋白质、核酸和脂类的研究。因此，人们为研究这些糖类化合物建立了一些新的工艺方法，这也为分子生物学研究领域开辟了另一个新的前沿，称为“糖生物学（glycobiology）”。20世纪末期，糖基转移酶转基因细胞的产生，钙粘素N-CD1单晶三维结构的阐明，肝素抗凝血五糖模拟物的合成，这些研究的出现极大地推动了糖生物学学科的发展。随后，科学家将糖化
47、学和生物化学的传统原则与现代细胞和分子生物学对聚糖的研究相结合，而创用了“糖生物学”一词。如今“糖生物学”已经得到了广泛的认可，并创立专门的生物学杂志，日益壮大的科学学会和著名的戈登研讨会议，这些都是以“糖生物学”来命名的。 目前糖生物学广义地被定义为，研究自然界中广泛分布的糖类（糖链或聚糖）的结构、生物合成和生物学功能的一门科学。实际上，糖生物学的研究焦点是糖类与其他分子的关系。糖生物学的研究包括对糖类化合物的命名，对其生物合成、结构和化学合成以及生物学功能的研究，还涉及部分分子遗传学、细胞生物学、生理学和生物化学这些基础学科方面的研究。 2.2 糖生物学研究的主要内容 近年来，糖生物学研究
48、的主题主要基于如下问题： （1） 糖类化合物与其受体之间相互作用的分子机制如何？ （2） 应以何种功能实验来阐明糖类化合物的生物学角色？ （3） 如何将糖类化合物更好地应用于医疗保健中？ 若要完全解决糖生物学的这些基本问题，尚需数十年的努力。然而，迄今为止，人们已经揭示出糖类化合物的部分生物学功能，将在下述内容中加以介绍。 2.3 糖生物学研究领域中的常见术语 人们将糖定义为多羟基醛或多羟基酮的化合物，或者能水解出上述单体的化合物。而单糖是一类不能水解为更简单的糖单位的化合物。单糖在其碳链末端有一个羰基（即醛基），或者在碳链内部的一个碳原子上有一个羰基（即酮基）。这两种单糖称为醛糖或酮糖。游离的单糖可以以直链或环状形式存在 。 图2-1 单糖的存在形式 一般来说，碳水化合物含有多个单糖(monosaccharide)，它们连在一起成为寡聚体或多聚体，又叫做寡糖或多糖。 糖苷键是将一个单糖和另一个残基相连的共价键，特别是通过异头碳上的羟基和另一个残基相连。按照氧与异头碳